Plyn

Plyn nebo plynné skupenství (z nizozemského.  plyn , jde zpět do jiné řečtiny. χάος ( háos ) - lit. chaos [1] ) - jeden ze čtyř hlavních agregovaných skupenství hmoty , vyznačující se velmi slabými vazbami mezi částicemi , které ji tvoří ( molekul , atomů nebo iontů ), stejně jako jejich vysoká mobilita. Částice plynu se pohybují téměř volně a chaoticky v intervalech mezi srážkami, při kterých dochází k prudké změně charakteru jejich pohybu [2] .

Plynné skupenství látky za podmínek, kdy existence stabilní kapalné nebo pevné fáze téže látky se obvykle nazývá pára . Skutečný plyn je vysoce přehřátá pára, jejíž vlastnosti se mírně liší od vlastností ideálního plynu. V tomto ohledu je třeba při termodynamickém popisu par a reálných plynů rozlišovat pouze dva stavy - nasycené páry (dvoufázové systémy) a přehřáté páry  - (jednofázové plynné stavy) [3] . Existuje další definice pojmu skutečný plyn , zahrnující celý rozsah plynného stavu látky od syté páry po vysoce přehřátý a vysoce zředěný.

Stejně jako kapaliny jsou plyny tekuté a odolávají deformaci . Na rozdíl od kapalin nemají plyny pevný objem , ale mají tendenci naplnit celý dostupný objem (například nádobu). V planetárním měřítku je plyn v atmosféře zadržován gravitací a netvoří volný povrch.

Plynné skupenství je nejběžnějším stavem hmoty ve vesmíru ( mezihvězdná hmota , mlhoviny , hvězdy , planetární atmosféry atd.). Chemické vlastnosti plynů a jejich směsí jsou velmi rozmanité: od nízkoaktivních inertních plynů až po výbušné směsi plynů. Pojem "plyn" je někdy rozšířen nejen na agregáty atomů a molekul, ale také na agregáty jiných elementárních [kvantových] částic (tedy na kvantový systém ) - fotony , elektrony , Brownovy částice a také plazma .

K odpaření kapaliny není nutné ji vůbec zahřívat. Atmosférický tlak můžete snížit zvednutím do výšky nebo vysáváním .

Některé speciální případy

Etymologie

Slovo „plyn“ ( nizozemsky  plyn ) vymyslel na počátku 17. století vlámský přírodovědec J. B. van Helmont k označení „mrtvého vzduchu“ ( oxidu uhličitého ), který přijímal. Podle Ya. I. Perelmana Helmont napsal: „Nazval jsem takový paroplyn , protože se téměř neliší od chaosu starověku“ [5] .

Je také možné, že je možný i vliv německého plynového  „varu“.

V Rusku použil M. V. Lomonosov termín „elastické kapaliny“ k označení plynů , ale ten se neujal.

Fyzikální vlastnosti

Makroskopické charakteristiky

Většinu plynů je obtížné nebo nemožné pozorovat přímo našimi smysly a jsou popsány v podmínkách čtyř fyzikálních vlastností nebo makroskopických charakteristik: tlaku , objemu , počtu částic (chemici používají krtek ) a teploty . Tyto čtyři charakteristiky byly dlouho opakovaně studovány vědci jako Robert Boyle , Jacques Charles , John Dalton , Gay-Lussac a Amedeo Avogadro pro různé plyny za různých podmínek. Jejich podrobné studium nakonec vedlo k vytvoření matematického vztahu mezi těmito vlastnostmi, vyjádřený ve stavové rovnici ideálního plynu .

Hlavním rysem plynu je, že vyplňuje veškerý dostupný prostor, aniž by tvořil povrch. Plyny se vždy mísí. Plyn je izotropní látka, to znamená, že jeho vlastnosti nezávisí na směru. V případech, kdy lze gravitační síly zanedbat nebo jsou vyváženy jinými silami, je tlak ve všech bodech plynu stejný (viz Pascalův zákon ).

V poli gravitačních sil nejsou hustota a tlak v každém bodě stejné, s výškou klesají podle barometrického vzorce . Podle toho se v gravitačním poli směs plynů stává nehomogenní. Těžké plyny mají tendenci se usazovat níže, zatímco lehčí plyny mají tendenci stoupat nahoru. V gravitačním poli je každé těleso ponořené do plynu ovlivňováno Archimédovou silou [6] , která se používá k létání s balony a jinými leteckými dopravními prostředky plněnými lehkými plyny nebo horkým vzduchem.

Plyn má vysokou stlačitelnost  - s rostoucím tlakem roste jeho hustota . Jak teplota stoupá, plyny expandují. Při stlačení se plyn může změnit na kapalinu, pokud je jeho teplota pod tzv. kritickou teplotou. Kritická teplota je charakteristikou konkrétního plynu a závisí na silách interakce mezi jeho molekulami. Takže například plynné helium lze zkapalnit pouze při teplotě nižší než 4,2 K.

Existují plyny, které po ochlazení přecházejí do pevného tělesa a obcházejí kapalnou fázi. Přeměna kapaliny v plyn se nazývá vypařování a přímá přeměna pevné látky v plyn sublimace .

Soužití s ​​tekutinou

V určitém rozsahu teplot a tlaků mohou spolu existovat plyn a kapalina téže látky ve formě rovnovážného dvoufázového systému. Plyn nad povrchem kapaliny se nazývá nasycená pára .

Mikroskopické charakteristiky

Pokud by člověk mohl pozorovat plyn pod silným mikroskopem, mohl by vidět soubor částic (molekuly, atomy atd.) bez určitého tvaru a objemu, které jsou v chaotickém pohybu. Tyto částice neutrálního plynu změní směr pouze tehdy, když narazí na jiné částice nebo stěny nádoby. Pokud předpokládáme, že tyto interakce (impakty) jsou absolutně elastické, změní se tato látka z reálného na ideální plyn. Tato frakce je z mikroskopického hlediska plynu popsána molekulární kinetickou teorií . Všechny předpoklady, které jsou základem této teorie, lze nalézt v části „Základní postuláty“ kinetické teorie.

Tepelný pohyb molekul plynu

Nejdůležitější vlastností tepelného pohybu molekul plynu je neuspořádaný (chaotický) pohyb. Experimentálním důkazem spojité povahy pohybu molekul je difúze a Brownův pohyb .

Difúze je jev spontánního pronikání molekul jedné látky do druhé. V důsledku vzájemné difúze látek se jejich koncentrace postupně vyrovnává ve všech oblastech jimi obsazeného objemu. Bylo zjištěno, že rychlost difúzního procesu závisí na typu látek a teplotě.

Jedním z nejzajímavějších jevů potvrzujících nahodilost pohybu molekul je Brownův pohyb, který se projevuje v podobě tepelného pohybu mikroskopických částic hmoty, které jsou suspendovány v plynu. Tento jev byl poprvé pozorován v roce 1827 R. Brownem , od jehož jména dostal své jméno. Nahodilost pohybu takových částic se vysvětluje náhodným charakterem přenosu impulsů z molekul plynu na částici z různých směrů. Brownův pohyb je tím patrnější, čím menší je částice a čím vyšší je teplota systému. Závislost na teplotě ukazuje, že rychlost chaotického pohybu molekul roste s rostoucí teplotou, proto se nazývá tepelný pohyb.

Avogadrův zákon

Avogadrův zákon  – stejné objemy jakýchkoli plynů při stejném tlaku a teplotě obsahují stejný počet molekul.

Tento zákon objevil na základě experimentů v chemii italský vědec Amedeo Avogadro v roce 1811. Zákon platí pro slabě stlačené plyny (např. plyny pod atmosférickým tlakem). V případě vysoce stlačených plynů to nelze považovat za platné. Avogadrův zákon znamená, že tlak plynu při určité teplotě závisí pouze na počtu molekul na jednotku objemu plynu, nezávisí však na tom, o jaký druh molekul se jedná.

Množství látky obsahující počet gramů rovný její molekulové hmotnosti se nazývá gram molekula nebo mol. Z řečeného vyplývá, že moly různých látek obsahují stejný počet molekul. Počet molekul v jednom molu látky, nazývaný "Avogadroovo číslo", je důležitou fyzikální veličinou. Podle GOST 3651.2-97 se bere hodnota Avogadro konstanty:

NA = 6,0221367 10 23 ± 0,0000036 10 23 mol −1

Číslo Avogadro podle CODATA-2010 je

NA = 6,02214129 10 23 ± 0,00000027 10 23 mol −1

K určení Avogadroovy konstanty byly provedeny četné a rozmanité studie (Brownova pohybu, jevů elektrolýzy atd.), které vedly k poměrně konzistentním výsledkům a jsou jasným důkazem reality molekul a molekulární struktury hmoty.

Kinetická teorie

Kinetická teorie poskytuje představu o makroskopických vlastnostech plynů s ohledem na jejich molekulární strukturu a pohyb molekul. Počínaje definicí hybnosti a kinetické energie je možné pomocí zákona zachování hybnosti a geometrických vztahů vztáhnout makroskopické vlastnosti systému (teplota a tlak) k mikroskopickým vlastnostem (kinetická energie jedné molekuly) .

Kinetická teorie vysvětluje termodynamické jevy na základě atomistických pojmů. Teorie předpokládá, že teplo je důsledkem chaotického pohybu extrémně velkého množství mikroskopických částic (atomů a molekul). Teorie vysvětluje, jak plynový systém reaguje na vnější vlivy. Například, když se plyn zahřeje od absolutní nuly , při které jsou jeho (klasické) částice absolutně stacionární, rychlost částic se zvyšuje s rostoucí teplotou. To vede k většímu počtu jejich kolizí se stěnami plavidla za jednotku času díky vyšší rychlosti. S rostoucím počtem srážek se zvyšuje jejich účinek na stěny nádoby, úměrně tomu se zvyšuje tlak.

Úspěšné vysvětlení plynových zákonů na základě ustanovení kinetické teorie se stalo jedním z faktorů potvrzujících atomovou strukturu látek v přírodě. V moderní fyzice je molekulární kinetická teorie považována za nedílnou součást statistické mechaniky .

Elektrický proud v plynech

Plyny jsou velmi špatné vodiče, ale v ionizovaném stavu je plyn schopen vést elektrický proud [7] . Vodivost plynu závisí na napětí nelineárně, protože stupeň ionizace se mění podle složitého zákona. Existují dva hlavní způsoby ionizace plynu: tepelná ionizace a ionizace elektrickým výbojem. Navíc dochází k tzv. nezávislému elektrickému výboji (příkladem je blesk ).

Tepelná ionizace - dodání dostatečné kinetické energie atomům k oddělení elektronu od jádra a následná ionizace v důsledku zvýšení teploty plynu a tepelného pohybu atomů plynu, což vede ke srážkám a jejich přeměně na kinetickou energii. Teploty potřebné pro ionizaci plynů jsou velmi vysoké (například pro vodík je toto číslo 6000 K). Tento typ ionizace plynu je převážně distribuován v přírodě.

Při nízkých teplotách může plyn také vést proud, pokud výkon jeho vnitřního elektrického pole překročí určitou prahovou hodnotu. Prahová hodnota je v tomto případě dosažení dostatečné kinetické energie potřebné pro ionizaci atomu elektronem při působení elektrického pole. Dále jsou elektrony opět urychlovány elektrickým polem pro ionizaci a ionizují dva atomy atd. - proces se stává řetězem. Nakonec všechny volné elektrony dosáhnou kladné elektrody, kladné ionty - záporné elektrody. Tento typ ionizace se používá především v průmyslu.

Když je katoda zahřátá elektrickým výbojem s vysokým proudem, zahřeje se na stupeň termionické emise elektronů z ní ( obloukový výboj ).

Procesy portování

Plyn se vyznačuje vysokým koeficientem vlastní difúze.

Plyny mají nízkou tepelnou vodivost, protože k přenosu energie z molekuly na molekulu dochází v důsledku vzácných srážek. To vysvětluje dobré tepelně izolační vlastnosti vlny a vaty, materiálů, ve kterých je většina objemu vyplněna vzduchem. Ale v plynech funguje jiný mechanismus přenosu tepla - konvekce .

Stlačitelnost

Stlačitelnost ( z)  je poměr specifického objemu plynu ke specifickému objemu ideálního plynu se stejnou molární hmotností . Toto číslo je zpravidla o něco menší než jedna, přičemž se od ní nejvýrazněji odchyluje v blízkosti čáry nasycení a u spíše složitých organických plynů např. u metanu za standardních podmínek [8] .

Existuje několik způsobů, jak vypočítat faktor stlačitelnosti:

Tepelná kapacita

Tepelná kapacita plynu je velmi závislá na povaze procesu , který s ním probíhá. Nejčastěji se používá izobarická tepelná kapacita a izochorická ; pro ideální plyn .

Tepelná vodivost

Tepelná vodivost plynů je jev usměrněného přenosu tepelné energie v důsledku srážky částic plynu bez přenosu hmoty.

Viskozita

Na rozdíl od kapalin se kinematická viskozita plynů zvyšuje s rostoucí teplotou, i když u dynamické viskozity je závislost méně výrazná. Viskozita se také zvyšuje s tlakem.

Prandtlovo číslo

Prandtlovo číslo (poměr kinematické viskozity k tepelné difuzivitě ) pro plyny je obvykle o něco menší než jedna.

Zjednodušené modely plynu

Stavová rovnice (pro plyny) je matematický model, který se používá k aproximaci nebo modelování vlastností plynu. V současné době neexistuje jediná stavová rovnice, která by přesně předpovídala vlastnosti všech plynů za jakýchkoli podmínek. Proto bylo vyvinuto velké množství přesných stavových rovnic pro konkrétní plyny v rozsahu určitých teplot a tlaků. Nejčastěji používanými matematickými modely plynu jsou modely „ideálního plynu“ a „reálného plynu“.

Ideální plyn

Ideální plyn je plyn, ve kterém lze molekuly považovat za hmotné body a síly přitažlivosti a odpuzování mezi molekulami lze zanedbat. V přírodě takový plyn neexistuje, ale skutečné zředěné plyny jsou svými vlastnostmi blízké ideálnímu plynu při tlacích nepřesahujících 200 atmosfér a nepříliš nízkých teplotách, protože za takových podmínek je vzdálenost mezi molekulami mnohem větší než jejich velikost. Z hlediska fenomenologické termodynamiky je ideální plyn (podle definice) hypotetický plyn, který v přírodě neexistuje, který přesně splňuje Clapeyron-Mendělejevovu rovnici stavu plynu :

Existují tři typy ideálního plynu:

  1. Klasický ideální plyn nebo Maxwell-Boltzmannův plyn .
  2. Boseho ideální kvantový plyn (skládá se z bosonů).
  3. Ideální kvantový Fermiho plyn (skládá se z fermionů).

Vnitřní energie ideálního plynu je popsána následující rovnicí:

kde

je konstanta (rovná se například 3/2 pro monoatomický plyn),  — vnitřní energie ( J ),  - tlak ( Pa ),  - objem (m 3 ),  - látkové množství ( mol ),  je univerzální plynová konstanta (J/(mol K)),  je absolutní teplota ( K ),  je počet molekul,  je Boltzmannova konstanta (J/K).

Skutečný plyn

Skutečný plyn  je plyn, mezi jehož molekulami existují síly mezimolekulární interakce.

Zkušenosti ukázaly, že zákony ideálních plynů platí s vysokou mírou přesnosti pro skutečné plyny pouze při teplotách přesahujících kritickou hodnotu. Se zvýšením tlaku a poklesem teploty pod kritickou hodnotu jsou zjištěny výrazné odchylky v chování všech reálných plynů. Skutečný plyn má stlačitelnost od vnějších sil mnohem menší než ideální plyn. Reálné plyny kondenzují a stavová rovnice ideálního plynu nedokáže vysvětlit přechod látky z plynného skupenství do kapalného [9] .

Síly mezimolekulární interakce jsou krátkého dosahu, to znamená, že se objevují ve vzdálenostech R ≤ 10 −9 ma rychle klesají s rostoucí vzdáleností.

Síly intermolekulární interakce, v závislosti na vzdálenosti mezi molekulami, mohou být síly přitažlivosti nebo odpuzování. Molekulární síly přitažlivosti se nazývají van der Waalsovy síly . Z obrázku je vidět, že pro velké vzdálenosti mezi molekulami, když je hustota plynu nízká, van der Waalsovy síly správně přenášejí povahu interakce mezi molekulami. Část křivky odpovídající intermolekulárnímu odpuzování ve van der Waalsově modelu odpovídá kladné části křivky. V této sekci platí U (r) → ∞ v r ≤ d, tj. centra molekul se nemohou přiblížit na vzdálenost r < d (d je průměr molekuly). Obecně čárkovaná křivka představuje potenciální energii párové interakce molekul, mezi kterými působí přitažlivé síly a odpudivé síly se objevují pouze v případě srážky podle modelu tvrdé koule.

V roce 1873 van der Waals, který analyzoval důvody odchylky vlastností skutečných plynů od Boyle-Mariotteova zákona, odvodil stavovou rovnici pro skutečný plyn, ve které byl vlastní objem molekul a síly interakce mezi byly brány v úvahu. Analytický výraz pro van der Waalsovu rovnici pro jeden mol plynu je:

,

kde koeficienty a se nazývají van der Waalsovy konstanty, které závisí na chemické povaze látky, teplotě a tlaku.

Van der Waalsova rovnice pro libovolné množství plynu o hmotnosti má tvar:

Van der Waalsova rovnice je přibližná stavová rovnice pro skutečný plyn a stupeň její aproximace je pro různé plyny různý. Bylo sepsáno velké množství empirických a semiempirických stavových rovnic pro reálné plyny (rovnice: Berthelot, Clausius-Clapeyron, Diterici, Redlich-Kwong, Kamerling-Onnes atd.). Zvýšením počtu konstant v těchto rovnicích lze dosáhnout lepší shody s praxí ve srovnání s van der Waalsovou rovnicí. Van der Waalsova rovnice je však díky své jednoduchosti a fyzikálnímu obsahu konstant a jejích složek nejběžnější pro analýzu kvalitativního chování skutečných plynů.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Slovník cizích slov. - M .: " Ruský jazyk ", 1989. - 624 s. ISBN 5-200-00408-8
  2. ↑ Physical Encyclopedia vol. 1, 1988 , s. 375.
  3. ↑ Belokon N.I., Základní principy termodynamiky, 1968 , s. 78.
  4. ↑ Kirillin V. A., Technická termodynamika, 1983 , s. 165.
  5. ↑ Perelman Ya. I., Entertaining Physics, 1994 , s. 109.
  6. ↑ Physical Encyclopedia vol. 1, 1988 , s. 123.
  7. ↑ Učebnice základů fyziky / Ed. Landsberg G.S.. - Ed. 8. - M .: Nauka , 1972. - T. 2. - S. 230-268.
  8. ↑ GOST 30319.1-96. Zemní plyn. Metody výpočtu fyzikálních vlastností. Stanovení fyzikálních vlastností zemního plynu, jeho složek a produktů jeho zpracování.
  9. ↑ Vukalovich M.P., Technická termodynamika, 1968 , s. 190-192.

Literatura